论文总字数：35760字

摘 要

:纤维单向增强复合材料以其比强度高、比刚度大等优点在以航空航天为代表的工业生产和应用中发挥着越来越重要的作用，这也意味着对复合材料的可靠性和强度理论提出了更高的要求。在涉及到材料的断裂、破坏等问题上，需要通过细观力学对材料进行研究。离散单元法最初用于岩土力学中，是一种适用于非连续介质分析的数值计算方法，近年来开始被用于研究复合材料力学，但关于离散元理论在单向复合材料横向强度的应用研究尚不深入。

本论文建立了细观尺度下碳纤维随机分布的单向复合材料的代表性体元的横向力学模型，其中纤维和基体都选用校准了平行粘结细观参数后的颗粒单元来填充，随后利用二维颗粒流模拟程序PFC^2D对其在横向载荷下的强度表现进行了分析。结论显示，单轴压缩状态下，单向复合材料的断裂主要以基体的塑形形变为主；单轴拉伸状态下，单向复合材料的主要破坏形式为纤维-基体界面的剥离，并且碳纤维的嵌入并未增加复合材料的横向抗拉强度。同时，本论文也对可能影响结果的因素如纤维体积分数、纤维排列方式和加载速率进行了讨论。

关键词：单向纤维增强复合材料，离散单元法，代表性体元，数值计算模型，细观力学，单轴实验，应力-应变曲线

A study of transverse strength of unirectional composite material using Discrete Elemment Method

02012411 LIU You-zhi

Supervised by Dr. ZHANG Ning and Prof. FEI Qing-guo

Abstract

:The Carbon-Fiber Reinforced Polymer(CFRP) plays an increasing important role in industry application especially in the aerospace industry with outstanding stiffness and strength to its lightweight. It means the higher requirements for the reliability and strength theory of the properties of composite materials. When it to study fracture and failure of composite, the micromechanics is necessary. The Discrete Element Method(DEM) was proposed for simulating rock mechnics problems firstly and has been gradually used for the analysis of discontinuous mechanics such as composites recently by researchers. However, the study in transverse strength of unirectional composite material is not in-depth yet by using DEM.

In this paper, Representative Elementary Volume(REV) models with random distributed fibers of the unirectional composite material are generated in microstruture in 2D. The matrix and fiber are construted using disc particles bonded together using parallel bonds and the calibration procedure of the micro-parametes is afterwards carried out. Then, simulation of transverse compression and tension are performed on the REV using the Particle Flow Code in two-dimensions(PFC^2D). It is founded that the interfacial debonding are the main reasons for fracture under transverse tenssion while the matrix plastic deformation under transverse compression. The stress-strain curves indicate that the carbon fibers reinforced in polymer have no effect on transverse tension strength. Fiber volume fraction, fibers distribution and loading rate are discussed in the paper, too.

Keywords: CFRP, DEM, REV, Computational modelling, Micromechanicals, Uniaxial testing, Stress-strain curves

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容及意义 2

1.3.1 研究内容与方法 2

1.3.2 研究的意义 4

1.4 论文组织结构 4

第二章 单向复合材料横向强度性能分析的理论基础 5

2.1 引言 5

2.2 单向复合材料细观力学研究 5

2.2.1 表征单元体 5

2.2.2 单向复合材料横向强度分析 7

2.3 本章小结 8

第三章 离散单元法及二维颗粒流模拟程序PFC^2D简介 9

3.1 引言 9

3.2 PFC^2D的基本原理 10

3.2.1 PFC^2D软件的基本假定 10

3.2.2 PFC^2D软件的基本计算法则 10

3.3 PFC^2D的本构模型 13

3.3.1 接触刚度模型 13

3.3.2 接触滑动模型 15

3.3.3 接触粘结模型 16

3.3.4 其他模型 19

3.4 PFC^2D的参数测量 20

3.4.1 孔隙率 20

3.4.2 配位数 20

3.4.3 应力 21

3.5 本章小结 21

第四章 基于离散元的横向力学模型细观数值实验 22

4.1 引言 22

4.2 设置边界条件和初始条件 22

4.3 生成颗粒集合 23

4.4 选择材料的本构模型和细观参数 25

4.4.1 宏观参数 25

4.4.2 细观力学参数的校核 25

4.5 对数值试样模型加载 27

4.5.1 单轴拉伸 28

4.5.2 单轴压缩 29

4.6 本章小结 31

第五章 单向复合材料横向强度影响因素的分析 32

5.1 引言 32

5.2 纤维排列方式 32

5.3 纤维体积分数 33

5.4 加载速率 34

5.5 本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 展望 36

致谢 38

参考文献 39

绪论

研究背景

近年来，复合材料的研究和应用得到了突飞猛进的发展，其产品由于优异的力学性能，如热稳定性好，抗疲劳性好、比强度、比刚度高等，被广泛应用在航空航天和民用产业中。如波音787客机中主体结构的大部分（包含机身和机翼）采用复合材料进行设计，复合材料所占质量比例达到50%以上。随着技术的成熟，成本的降低，性能的提高，复合材料的应用范围也将越来越广。

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